微流控芯片及其发展历程

微流控芯片，又称芯片实验室，是指将化学和生物领域涉及的样品制备、反应、分离、检测、细胞培养、分选、裂解等基本操作单元集成到几平方厘米的芯片上，通过微通道形成网络，通过可控流体贯穿整个系统，取代常规化学或生物实验室的各种功能的技术。从物理上讲，微流控芯片是一种控制微小通道或构件中微小流体流动的系统。它依靠微通道网络连接，使网络连接平稳运行的关键部件是微泵、微阀、微混合器和各种新型生物电子传感器，其中通道和构件的尺寸是几十到几百微米。该技术侧重于构建微流控通道系统，实现各种复杂的微流控制功能，是目前快速发展的多学科高度交叉的技术领域之一。微流控技术不仅是一门科学，也是一门技术，是在化学、生物学、医学、纳米技术、微电子和微机械的基础上发展起来的一门全新的交叉学科。

微流控芯片的基本特点和最大优势是各种单元技术在整体可控的微小平台上灵活组合，大规模集成，利用微系统中流体特有的尺度效应，大大提高样品处理和响应效率，准确获取样品中的大量信息，从而达到样品消耗低、灵敏度高、检测快、通量输出高、在线自动化操作的目的。利用芯片快速多通道的特点，显著提高分析筛选通量，同时缩小仪器体积。

芯片实验室作为一个平台，其研究工作始于芯片毛细管电泳。20世纪90年代初，D.Iarrison和A.Manz开展了早期芯片电泳的开拓性研究，显示了其作为分析化学工具的潜力；20世纪90年代中期，美国国防部提出了对士兵个体生化自检设备的便携性要求，催生了全球微流控芯片的研究；20世纪90年代中后期，R.Mathies等发表了一系列关于实现芯片电泳快速DNA分析的论文；随着微制造技术的发展，微流控芯片的研究经历了一个快速发展的时期，使得科学研究带动了产业化发展。第一家从事芯片实验室技术的Caliper公司成立并推出了第一台商业仪器；20世纪90年代，微流控芯片被认为是一个分析化学平台，往往与微全分析系统的概念混合。2000年，G.Whitesides等PDMS软刻蚀方法在Electrophoresis上发表，2002年S.Quake等在Science杂志上发表了题为微流控大规模集成芯片的文章，介绍了集成了2056个微阀和256个750pL微反应器的2.5cmX2.ScmPDMS芯片[}]，这些里程碑式的工作使学术界和工业界看到微流控芯片超越了微全分析系统的概念，发展成为科技的重大潜在能力，进一步展示了微流控芯片从简单的电泳分离到大规模多功能集成实验室的飞跃。LabonaChip杂志于2001年创刊，迅速成为该领域的主流出版物，引领全球微流控芯片研究的深入开展。美国Business2.0杂志2004年9月的一篇封面文章称，芯片实验室是改变未来的七大技术之一。一期Nature杂志于2006年7月出版，发表了包含7篇评论文章的芯片实验室专辑，从不同角度阐述了芯片实验室的研究历史、现状和应用前景，并在编辑部的社会评论中指出：芯片实验室有可能成为本世纪的技术。这充分反映了微流控领域发展的巨大潜力和活力。目前，微流控芯片已经成为发展最快的分析研究技术之一，其战略意义得到了学术界和工业界的认可。

自20世纪90年代中后期以来，中国科学院和一些大学的一批研究小组在中国政府各项目的支持下，从不同领域切入微流控芯片，开展了卓有成效的工作。2009年，中国科学家在LabonaChip杂志上发表的论文数量居世界第二。2010年，在杂志成立十周年之际，由作者研究团队主持编辑，出版了一张题为《聚焦中国》的专辑，反映了中国大陆、香港和台湾省学者在芯片实验室领域的研究进展。

理论上，微流控芯片可以应用于任何涉及流体的学科，其中最直接的应该是化学、生物学和医学。同时，其第二波影响已经渗透到一些传统观念中不涉及流体的学科，如光学和信息学。微型化、集成化、便携化的优势使其直接面向社会各界的实际需求，在疾病诊断、药物筛选、环境检测、材料合成、食品安全、司法鉴定、反恐、体育竞赛、航天等各个领域开发应用，前景广阔。